Deep Learning for 3D Visual Perception

La percepción visual 3D se refiere al conjunto de problemas que engloban la reunión de información a través de un sensor visual y la estimación la posición tridimensional y estructura de los objetos y formaciones al rededor del sensor. Algunas funcionalidades como la estimación de la ego moción o construcción de mapas are esenciales para otras tareas de más alto nivel como conducción autónoma o realidad aumentada. En esta tesis se han atacado varios desafíos en la percepción 3D, todos ellos útiles desde la perspectiva de SLAM (Localización y Mapeo Simultáneos) que en si es un problema de percepción 3D.Localización y Mapeo Simultáneos –SLAM– busca realizar el seguimiento de la posición de un dispositivo (por ejemplo de un robot, un teléfono o unas gafas de realidad virtual) con respecto al mapa que está construyendo simultáneamente mientras la plataforma explora el entorno. SLAM es una tecnología muy relevante en distintas aplicaciones como realidad virtual, realidad aumentada o conducción autónoma. SLAM Visual es el termino utilizado para referirse al problema de SLAM resuelto utilizando unicamente sensores visuales. Muchas de las piezas del sistema ideal de SLAM son, hoy en día, bien conocidas, maduras y en muchos casos presentes en aplicaciones. Sin embargo, hay otras piezas que todavía presentan desafíos de investigación significantes. En particular, en los que hemos trabajado en esta tesis son la estimación de la estructura 3D al rededor de una cámara a partir de una sola imagen, reconocimiento de lugares ya visitados bajo cambios de apariencia drásticos, reconstrucción de alto nivel o SLAM en entornos dinámicos; todos ellos utilizando redes neuronales profundas.Estimación de profundidad monocular is la tarea de percibir la distancia a la cámara de cada uno de los pixeles en la imagen, utilizando solo la información que obtenemos de una única imagen. Este es un problema mal condicionado, y por lo tanto es muy difícil de inferir la profundidad exacta de los puntos en una sola imagen. Requiere conocimiento de lo que se ve y del sensor que utilizamos. Por ejemplo, si podemos saber que un modelo de coche tiene cierta altura y también sabemos el tipo de cámara que hemos utilizado (distancia focal, tamaño de pixel...); podemos decir que si ese coche tiene cierta altura en la imagen, por ejemplo 50 pixeles, esta a cierta distancia de la cámara. Para ello nosotros presentamos el primer trabajo capaz de estimar profundidad a partir de una sola vista que es capaz de obtener un funcionamiento razonable con múltiples tipos de cámara; como un teléfono o una cámara de video.También presentamos como estimar, utilizando una sola imagen, la estructura de una habitación o el plan de la habitación. Para este segundo trabajo, aprovechamos imágenes esféricas tomadas por una cámara panorámica utilizando una representación equirectangular. Utilizando estas imágenes recuperamos el plan de la habitación, nuestro objetivo es reconocer las pistas en la imagen que definen la estructura de una habitación. Nos centramos en recuperar la versión más simple, que son las lineas que separan suelo, paredes y techo.Localización y mapeo a largo plazo requiere dar solución a los cambios de apariencia en el entorno; el efecto que puede tener en una imagen tomarla en invierno o verano puede ser muy grande. Introducimos un modelo multivista invariante a cambios de apariencia que resuelve el problema de reconocimiento de lugares de forma robusta. El reconocimiento de lugares visual trata de identificar un lugar que ya hemos visitado asociando pistas visuales que se ven en las imágenes; la tomada en el pasado y la tomada en el presente. Lo preferible es ser invariante a cambios en punto de vista, iluminación, objetos dinámicos y cambios de apariencia a largo plazo como el día y la noche, las estaciones o el clima.Para tener funcionalidad a largo plazo también presentamos DynaSLAM, un sistema de SLAM que distingue las partes estáticas y dinámicas de la escena. Se asegura de estimar su posición unicamente basándose en las partes estáticas y solo reconstruye el mapa de las partes estáticas. De forma que si visitamos una escena de nuevo, nuestro mapa no se ve afectado por la presencia de nuevos objetos dinámicos o la desaparición de los anteriores.En resumen, en esta tesis contribuimos a diferentes problemas de percepción 3D; todos ellos resuelven problemas del SLAM Visual.<br /

Intelligent Sensors for Human Motion Analysis

The book, "Intelligent Sensors for Human Motion Analysis," contains 17 articles published in the Special Issue of the Sensors journal. These articles deal with many aspects related to the analysis of human movement. New techniques and methods for pose estimation, gait recognition, and fall detection have been proposed and verified. Some of them will trigger further research, and some may become the backbone of commercial systems

Label Efficient 3D Scene Understanding

3D scene understanding models are becoming increasingly integrated into modern society. With applications ranging from autonomous driving, Augmented Real- ity, Virtual Reality, robotics and mapping, the demand for well-behaved models is rapidly increasing. A key requirement for training modern 3D models is high- quality manually labelled training data. Collecting training data is often the time and monetary bottleneck, limiting the size of datasets. As modern data-driven neu- ral networks require very large datasets to achieve good generalisation, finding al- ternative strategies to manual labelling is sought after for many industries. In this thesis, we present a comprehensive study on achieving 3D scene under- standing with fewer labels. Specifically, we evaluate 4 approaches: existing data, synthetic data, weakly-supervised and self-supervised. Existing data looks at the potential of using readily available national mapping data as coarse labels for train- ing a building segmentation model. We further introduce an energy-based active contour snake algorithm to improve label quality by utilising co-registered LiDAR data. This is attractive as whilst the models may still require manual labels, these labels already exist. Synthetic data also exploits already existing data which was not originally designed for training neural networks. We demonstrate a pipeline for generating a synthetic Mobile Laser Scanner dataset. We experimentally evalu- ate if such a synthetic dataset can be used to pre-train smaller real-world datasets, increasing the generalisation with less data. A weakly-supervised approach is presented which allows for competitive per- formance on challenging real-world benchmark 3D scene understanding datasets with up to 95% less data. We propose a novel learning approach where the loss function is learnt. Our key insight is that the loss function is a local function and therefore can be trained with less data on a simpler task. Once trained our loss function can be used to train a 3D object detector using only unlabelled scenes. Our method is both flexible and very scalable, even performing well across datasets. Finally, we propose a method which only requires a single geometric represen- tation of each object class as supervision for 3D monocular object detection. We discuss why typical L2-like losses do not work for 3D object detection when us- ing differentiable renderer-based optimisation. We show that the undesirable local- minimas that the L2-like losses fall into can be avoided with the inclusion of a Generative Adversarial Network-like loss. We achieve state-of-the-art performance on the challenging 6DoF LineMOD dataset, without any scene level labels

Human Pose Estimation with Implicit Shape Models

This work presents a new approach for estimating 3D human poses based on monocular camera information only. For this, the Implicit Shape Model is augmented by new voting strategies that allow to localize 2D anatomical landmarks in the image. The actual 3D pose estimation is then formulated as a Particle Swarm Optimization (PSO) where projected 3D pose hypotheses are compared with the generated landmark vote distributions